CN115432036A - 基于可见光通信的列车运行控制***及列车定位方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于可见光通信的列车运行控制***和定位方法，该列车运行控制***包括一个调度集中设备、多个轨旁控制中心、多个临时限速服务器、多个车载控制器、可见光通信子***；车载控制器与轨旁控制中心通过可见光通信子***通信；车载控制器与临时限速服务器通过可见光通信子***通信；所述可见光通信子***包括可见光通信设备、光纤传输设备；所述可见光通信设备包括地面可见光收发器和转换模块、以及车载可见光收发器；所述光纤传输设备，设置为将轨旁控制中心和临时限速服务器发出的信号传输到地面可见光收发器，并将地面可见光收发器和转换模块发出的光纤信号传输到轨旁控制中心和临时限速服务器。
Description
技术领域
本申请涉及轨道交通技术领域，尤指一种基于可见光通信的列车运行控制***及列车定位方法。
背景技术
轨道交通具有运量大、效率高、能耗低、乘坐方便、安全舒适等诸多优点。在能源危机和环保压力日益加大的今天，无论是高速铁路还是城市轨道交通都已成为首选的出行方式。无论是高速铁路、市域轨道交通还是城市地铁，甚至包括磁浮、单轨、有轨等新兴轨道交通制式，为满足高速、高密度追踪需求下列车安全运行控制，均采用“目标-距离、目标-速度”方式的移动闭塞或准移动闭塞方式。而要完成移动闭塞或准移动闭塞，就必须有移动的列车和地面信号设备间的信息交互，一般采用无线通信的方式进行信息交互，实现列车运行控制。采用无线通信的列控***需要沿着铁路安装基站，对于地理形势复杂的山区尤为困难，且无线通信一旦受到干扰或者通信故障就会引起列车降级运行，降低了列车运输效率。同时，随着无线技术在各行业的广泛应用，移动数据呈现***式增长，有限的无线频谱资源越来越难以满足日益增长的无线频谱需求。
可见光通信(visible light communication，VLC)可以利用的可见光波段尚属空白频谱，无需授权即可使用，而VLC又具有无电磁干扰，绿色环保等优势。随着LED技术的广泛应用推广，基于可见光LED的通信日益受到关注。与传统光源相比，可见光LED不仅光电转换效率高、使用寿命长、绿色环保，而且具有调制性能好、响应时间短等优点。利用LED这些特性，可以把信号调制到LED可见光束上进行传输，实现光媒质的无线通信技术，即LED可见光通信技术。
发明内容
本申请提供了一种基于可见光通信的列车运行控制***及列车定位方法，能够大大降低列控***建设及运营维护成本。
本申请提供了一种基于可见光通信的列车运行控制***，包括一个调度集中设备、多个轨旁控制中心、多个临时限速服务器、多个车载控制器、可见光通信子***；车载控制器与轨旁控制中心通过可见光通信子***通信；车载控制器与临时限速服务器通过可见光通信子***通信；
所述调度集中设备，设置为分别与多个轨旁控制中心、以及与多个临时限速服务器通信，下发列车运营计划，以及根据从多个轨旁控制中心和多个临时限速服务器接收到的列车运行状态信息向相关临时限速服务器下发临时限速信息；
每个轨旁控制中心，设置为接收所述调度集中设备下发的列车运营计划，通过可见光通信子***接收所辖区域内的车载控制器发送的各自的列车运行状态信息，根据所述列车运营计划、以及所辖区域内的列车运行状态信息计算移动授权，并通过可见光通信子***将移动授权发送给对应的车载控制器；通过可见光通信子***将接收到的所辖区域内的车载控制器发送的信息处理后发送给所述调度集中设备；
每个临时限速服务器，设置为根据接收的临时限速信息生成临时限速命令，通过可见光通信子***向相应的车载控制器发送临时限速命令；通过可见光通信子***向所辖区域内的车载控制器转发所述列车运营计划；向所述调度集中设备转发通过可见光通信子***接收到的所辖区域内的车载控制器发送的列车运行状态信息；
每个车载控制器，设置为通过可见光通信子***发送列车运行状态信息；通过可见光通信子***接收移动授权信息，根据所接收的移动授权信息对所在的列车进行自动运行安全防护；其中，所述列车运行状态信息包括列车定位信息；
所述可见光通信子***包括可见光通信设备、光纤传输设备；
所述可见光通信设备包括地面可见光收发器和转换模块、以及车载可见光收发器；
所述地面可见光收发器和转换模块，设置为接收可见光信号，将可见光信号转换成光纤信号发送；接收光纤信号，将光纤信号转换成可见光信号发送；
所述车载可见光收发器，设置接收可见光信号，将发送数据以可见光信号形式发送；
所述光纤传输设备，设置为将轨旁控制中心和临时限速服务器发出的信号传输到地面可见光收发器，并将地面可见光收发器和转换模块发出的光纤信号传输到轨旁控制中心和临时限速服务器。
在一种示例性的实施例中，所述车载控制器包括车载ATO设备；
所述列车运行控制***还包括多个列车自动驾驶中心；车载控制器与列车自动驾驶中心通过可见光通信子***通信；
每个列车自动驾驶中心，设置为通过可见光通信子***与所辖区域内的车载ATO设备进行通信，集中管理所辖区域内的列车运营，解决线路轨道资源冲突、线路牵引电力资源冲突和ATO过分相。
在一种示例性的实施例中，每个地面可见光收发器包括第一主控模块、第一发射模块、第一接收模块；所述第一发射模块包括第一发射机内部模块、第一光源驱动电路和第一LED；所述第一接收模块包括第一接收机内部模块、第一低通滤波器和光电探测器；所述第一主控模块分别与所述第一发射模块和所述第一接收模块连接；所述第一发射模块，设置为根据输入的数据流发出可见光信号；所述第一接收模块，设置为接收可见光信号，并输出数据流；
每个车载可见光收发器包括第二主控模块、第二发射模块、第二接收模块；所述第二发射模块包括第二发射机内部模块、第二光源驱动电路和第二LED；所述第一接收模块包括第二接收机内部模块、第二低通滤波器和第二光电探测器；所述第二主控模块分别与所述第二发射模块和所述第二接收模块连接。
在一种示例性的实施例中，每个地面可见光收发器还包括第一图像传感器；所述第一图像传感器与所述第一主控模块连接，设置为检测自身周围的第一环境信息，根据所述第一环境信息对发送的调制编码方式进行调整以保证传输的可靠性；
每个车载可见光收发器还包括第二图像传感器；所述第二图像传感器与所述第二主控模块连接，设置为检测自身周围的第二环境信息，根据所述第二环境信息调整接收机的信号放大增益、滤波器参数以减弱噪声的干扰。
在一种示例性的实施例中，所述发射机内部模块包括数据流输入单元、编码单元、比特映射单元、串并转换单元、傅里叶反变换单元、添加循环前缀单元、并串转换单元以及数模转换单元；
所述接收机内部模块包括模数转换单元、同步单元、串并转换单元、去除循环前缀单元、傅里叶变换单元、信道均衡单元、并串转换单元、比特逆映射单元、解码单元和数据流输出单元。
在一种示例性的实施例中，地面可见光收发器分布于列车运行轨道两侧的同一平行位置，且相邻的地面可见光收发器沿运行方向上的间隔小于或等于第一预设距离；
车载可见光收发器，设置为按照预设方式、预设位置安装于列车上。
在一种示例性的实施例中，地面可见光收发器的光源包括RGB-LED光源。
在一种示例性的实施例中，所述光纤传输设备包括光缆、光纤交换机、网关、中心控制节点；
其中，所述光缆与所述光纤交换机连接；所述网关与所述中心控制节点通过以太网通信；所述中心控制节点分别通过安全数据网与轨旁控制中心、临时限速服务器通信。
本申请提供了一种列车定位方法，应用于上述的列车运行控制***，包括：车载控制器根据车载可见光收发器接收到的地面可见光收发器发送的光信号、以及预设电子地图得到所述地面可见光收发器的实际位置坐标；其中所述光信号包括所述地面可见光收发器的编号信息；
基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，根据所述直线距离得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离；
根据所述地面可见光收发器的实际位置坐标、以及所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离得到所述车载控制器当前的位置坐标。
本申请提供了一种列车定位方法，应用于上述的列车运行控制***，包括：
根据车载可见光收发器接收到同一LED灯相同场强时的通过测速测距测量出的列车位置计算所述LED灯的中心点位置；
根据所述LED灯的中心点位置和所述LED灯的实际位置计算列车位置误差；
根据列车在下一时刻通过测速测距测量出的列车位置、以及所述列车位置误差更新当前列车位置。
本申请至少一个实施例通过可见光通信技术实现列车定位和车地列控信息交互，构成一套列控***。相比传统的基于通信的列控***具有以下特点：
取消了现有列控***轨道电路、应答器等轨旁设备，能够大大降低列控***建设及运营维护成本；
信息速率高，信息交互量大，能更准确控制列车运行、满足更高列车运行速度的列控需求；
可见光通信频谱资源丰富，受地理环境干扰弱，不受电磁干扰，传输距离短抗敌对、破坏性的干扰能力强，从而使其具有高可靠性，保证运输效率和秩序的能力强；
***能耗小，环保性好。
当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的列车运行控制***的示意图；
图2为本申请实施例的基于可见光无线通信的列控***架构；
图3为本申请实施例的VLC网络架构示意图；
图4为本申请实施例的可见光通信设备分别与其他设备之间的连接关系图；
图5为本申请实施例的光收发器的发射机内部模块和接收机内部模块的结构示意图；
图6为本申请实施例的地面可见光收发器安装方案；
图7为本申请实施例的车载光收发器安装方案；
图8为本申请实施例的基于可见光的列车定位原理示意图；
图9为本申请实施例的列车定位校正示意图。
具体实施方式
图1为本申请实施例的列车运行控制***的示意图，如图1所示，本实施例的列车运行控制***包括一个调度集中设备、多个轨旁控制中心、多个临时限速服务器、多个车载控制器、可见光通信子***；车载控制器与轨旁控制中心通过可见光通信子***通信；车载控制器与临时限速服务器通过可见光通信子***通信；
所述调度集中设备，设置为分别与多个轨旁控制中心、以及与多个临时限速服务器通信，下发列车运营计划，以及根据从多个轨旁控制中心和多个临时限速服务器接收到的列车运行状态信息向相关临时限速服务器下发临时限速信息；
每个轨旁控制中心，设置为接收所述调度集中设备下发的列车运营计划，通过可见光通信子***接收所辖区域内的车载控制器发送的各自的列车运行状态信息，根据所述列车运营计划、以及所辖区域内的列车运行状态信息计算移动授权，并通过可见光通信子***将移动授权发送给对应的车载控制器；通过可见光通信子***将接收到的所辖区域内的车载控制器发送的信息处理后发送给所述调度集中设备；
每个临时限速服务器，设置为根据接收的临时限速信息生成临时限速命令，通过可见光通信子***向相应的车载控制器发送临时限速命令；通过可见光通信子***向所辖区域内的车载控制器转发所述列车运营计划；向所述调度集中设备转发通过可见光通信子***接收到的所辖区域内的车载控制器发送的列车运行状态信息；
每个车载控制器，设置为通过可见光通信子***发送列车运行状态信息；通过可见光通信子***接收移动授权信息，根据所接收的移动授权信息对所在的列车进行自动运行安全防护；其中，所述列车运行状态信息包括列车定位信息；
所述可见光通信子***包括可见光通信设备、光纤传输设备；
所述可见光通信设备包括地面可见光收发器和转换模块、以及车载可见光收发器；
所述地面可见光收发器和转换模块，设置为接收可见光信号，将可见光信号转换成光纤信号发送；接收光纤信号，将光纤信号转换成可见光信号发送；
所述车载可见光收发器，设置接收可见光信号，将发送数据以可见光信号形式发送；
所述光纤传输设备，设置为将轨旁控制中心和临时限速服务器发出的信号传输到地面可见光收发器，并将地面可见光收发器和转换模块发出的光纤信号传输到轨旁控制中心和临时限速服务器。
其中，所述车载控制器包括车载ATP(列车自动保护)设备。
一种示例性的实施例中，所述车载控制器包括车载ATO设备；ATO是指列车自动驾驶。
所述列车运行控制***还包括多个列车自动驾驶中心；车载控制器与列车自动驾驶中心通过可见光通信子***通信；
每个列车自动驾驶中心，设置为通过可见光通信子***与所辖区域内的车载ATO设备进行通信，集中管理所辖区域内的列车运营，解决线路轨道资源冲突、线路牵引电力资源冲突和ATO过分相。
一种示例性的实施例中，每个地面可见光收发器包括第一主控模块、第一发射模块、第一接收模块；所述第一发射模块包括第一发射机内部模块、第一光源驱动电路和第一LED；所述第一接收模块包括第一接收机内部模块、第一低通滤波器和光电探测器；所述第一主控模块分别与所述第一发射模块和所述第一接收模块连接；所述第一发射模块，设置为根据输入的数据流发出可见光信号；所述第一接收模块，设置为接收可见光信号，并输出数据流；
每个车载可见光收发器包括第二主控模块、第二发射模块、第二接收模块；所述第二发射模块包括第二发射机内部模块、第二光源驱动电路和第二LED；所述第一接收模块包括第二接收机内部模块、第二低通滤波器和第二光电探测器；所述第二主控模块分别与所述第二发射模块和所述第二接收模块连接。
一种示例性的实施例中，地面可见光收发器的第一主控模块接收到来自WCC、TSRS和ATO中心的运营计划、临时限速命令、移动授权等数据，将每个数据包转换为原始数据流(二进制比特流)传输给发射模块。发射模块通过编码、调制转换为可见光信号发出。
一种示例性的实施例中，每个地面可见光收发器还包括第一图像传感器；所述第一图像传感器与所述第一主控模块连接，设置为检测自身周围的第一环境信息，根据所述第一环境信息对发送的调制编码方式进行调整以保证传输的可靠性；
每个车载可见光收发器还包括第二图像传感器；所述第二图像传感器与所述第二主控模块连接，设置为检测自身周围的第二环境信息，根据所述第二环境信息调整接收机的信号放大增益、滤波器参数以减弱噪声的干扰。
一种示例性的实施例中，所述发射机内部模块包括数据流输入单元、编码单元、比特映射单元、串并转换单元、傅里叶反变换单元、添加循环前缀单元、并串转换单元以及数模转换单元；
所述接收机内部模块包括模数转换单元、同步单元、串并转换单元、去除循环前缀单元、傅里叶变换单元、信道均衡单元、并串转换单元、比特逆映射单元、解码单元和数据流输出单元。
其中，发射机内部模块的作用是对原始数据进行编码和调制，编码是为了提高传输效率，即提高频谱利用率。因为信号传输过程中会衰落，调制用于提高抗信号衰落能力和多径干扰能力。只有进行了编码和调制的模拟信号通过LED发射的光信号才可以被接收机正确接收和解析为数据。
接收机内部模块为发射机内部模块的逆过程，即解调制和解码功能。同时具备信道均衡功能，信道均衡用来补偿可见光通信***中的信道频率衰落。
一种示例性的实施例中，地面可见光收发器分布于列车运行轨道两侧的同一平行位置，且相邻的地面可见光收发器沿运行方向上的间隔小于或等于第一预设距离；
车载可见光收发器，设置为按照预设方式、预设位置安装于列车上。
例如，地面可见光收发器WVLC在轨道两侧的同一平行位置同时安装，车载控制器VOBC上车头和车尾均安装OVLC收发器(即车载可见光收发器)，车头安装两套，车尾安装两套，均面向轨道外测。以上实现冗余覆盖。安装间隔已在定位中描述，两个沿轨道延展安装的WVLC间隔不超过第一预设距离，第一预设距离例如是580m。
一种示例性的实施例中，地面可见光收发器的光源包括RGB-LED光源。
例如，地面和车载的LED光源均采用RGB-LED，通过RGB-LED来合成白光，利用红、绿、蓝三种色的LED发光芯片，三种LED芯片都集成在LED中，通过调整每种颜色的功率来混合产生白光，通常RGB三色功率比例为1：1.2：1。原因为RGB三色的光谱峰值能量非常集中，不存在荧光粉的拖尾效应，有效提高显色性。相应的接收机前端的光电探测器具有RGB颜色滤光片。
一种示例性的实施例中，所述光纤传输设备包括光缆、光纤交换机、网关、中心控制节点；
其中，所述光缆与所述光纤交换机连接；所述网关与所述中心控制节点通过以太网通信；所述中心控制节点分别通过安全数据网与轨旁控制中心、临时限速服务器通信。
基于可见光通信的列控***的地面光收发器和车载光收发器通过光媒介，实现车载设备和地面设备之间的双向无线通信。车载设备通过自身的测速测距功能，结合线路沿线布置地面可见光设备，可实现列车主动定位，并将列车位置报告通过可见光通信发送给WCC(即上文中的轨旁控制中心)。WCC根据其管辖范围的列车的位置报告和移动闭塞追踪原理为列车计算移动授权，并通过地面光收发器向车载设备发送移动授权信息。车载设备收到WCC发送的移动授权，可实现列车自动运行安全防护和自动驾驶功能。
本申请还提供了一种列车定位方法，应用于上述的列车运行控制***，包括：
车载控制器根据车载可见光收发器接收到的地面可见光收发器发送的光信号、以及预设电子地图得到所述地面可见光收发器的实际位置坐标；其中所述光信号包括所述地面可见光收发器的编号信息；
基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，根据所述直线距离得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离；
根据所述地面可见光收发器的实际位置坐标、以及所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离得到所述车载控制器当前的位置坐标。
其中，当列车OVLC接收到地面WVLC发送的光信号，信号中已通过比特分割复用编码添加WVLC的编号信息，OVLC经过信息处理可以获得WVLC的坐标ID，VOBC根据该坐标ID查阅电子地图，可获得当前接收到的WVLC的实际位置坐标。
其中，基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，可按照如下现有技术的方法计算：
Pt表示WVLC(即上文的地面可见光收发器)发射机的发射功率，Pr表示OVLC(即上文的车载可见光收发器)接收到光信号的接收功率，则信道直流增益为：
由H0即可得到OVLC接收机和WVLC发射机之间的直线距离d：
其中
为WVLC发射机LED的发射角，θ为OVLC接收机的接收角，WVLC发射机与OVLC接收机所在的接收面平行，
h为WVLC发射机与OVLC接收机的垂直距离，垂直距离为安装参数。其中：
m为辐射模数，Ts(θ)为滤波器增益，A为接收机有效接收面积，g(θ)为聚光器增益，均根据接收机参数提前计算。因此得到直线距离：
则根据几何关系，OVLC接收机和WVLC发射机之间水平距离r为：
一种示例性的实施例中，根据列车通过相邻的地面可见光收发器中的每一个地面可见光收发器时的车载控制器的位置坐标计算列车在相邻的地面可见光收发器之间的走行距离；
根据相邻的地面可见光收发器的实际位置坐标计算该相邻的地面可见光收发器之间的实际距离；
根据所述走行距离和所述实际距离对所述车载控制器的当前位置进行校正。
其中，校正就是根据计算出当前列车的实际位置更新列车的当前位置，即更新当前列车的走行距离，此后走行距离以更新后的走行距离进行计算。
例如：列车在上一个地面可见光设备覆盖范围内更新列车位置为A，到当前地面可见光地面设备处B，A与B的实际距离为400m，但当前测量(通过既有速度传感器和雷达设备进行测速测距)的包含累积误差的走行距离为500m，位置为A+500m，则更新走行距离为400m，更新位置为A+400m，再下次更新时，以A+400m为起始点。
本申请实施例利用可见光通信的双向通信机制和信号发射原理，实现上述列车定位方法。
本申请还提供了一种列车定位方法，应用于上述的列车运行控制***，包括：
根据车载可见光收发器接收到同一LED灯相同场强时的通过测速测距测量出的列车位置计算所述LED灯的中心点位置；
根据所述LED灯的中心点位置和所述LED灯的实际位置计算列车位置误差；
根据列车在下一时刻通过测速测距测量出的列车位置、以及所述列车位置误差更新当前列车位置。
例如，车载VLC接收机在通过LED灯时，在T1时刻接收到的场强为E，此时的列车通过测速测距测量出的当前位置为S1，当车载VLC接收到检测到场强逐渐变强再变弱达到E时，此时为T2时刻，此时的列车通过测速测距测量出的当前位置为S2。则LED灯中心点计算公式如下：
通过计算LED灯的中心点位置C_SLED，再通过计算C_SLED与LED灯的实际位置SLED的距离差，得到走行距离与实际位置的差值，列车在T21时刻，测量完测速测距位置时，立即更新当前的列车位置,实现列车定位，更新的位置信息计算公式如下：
S＝S21+(C_SLED-SLED)。
图2为本申请实施例的基于可见光无线通信的列控***架构。基于可见光无线通信的列控***由调度集中CTC(Centralized Traffic Control)(对应上文的调度集中设备)、轨旁控制中心WCC(Wayside Control Center)、ATO中心(对应上文的列车自动驾驶中心)、临时限速服务器TSRS(Temporary Speed Restriction Server)、车载VOBC(VehicleOnBoard Controller)(对应上文的车载控制器)、和光收发器VLC(对应上文的可见光通信设备)组成。
其中，CTC设备是调度集中设备，用于实现运营行车指挥、下发运营计划、临时限速等功能。
WCC设备根据所辖区域内的车载设备发送的列车位置报告，采用移动闭塞追踪方式，对地面道岔进行控制，为列车计算移动授权，并通过地面光收发器向列车发送移动授权等信息。
TSRS设备是临时限速服务器，其包括临时限速命令生成和运营计划转发等功能，并通过地面光收发器向列车发送临时限速命令和运营计划等信息。
ATO中心实时与所辖区域内的列控车载ATO设备进行通信，集中管理所辖区域内的列车运营，解决线路轨道资源冲突、线路牵引电力资源冲突和ATO过分相等功能。
光收发器包括地面光收发器WVLC(Wayside Visible Light Communication)和车载光收发器OVLC(Onboard Visible Light Communication)，用于实现车地通信数据的编码和解码，实现车地无线通信。
车载VOBC设备包括车载ATP设备和车载ATO设备，实现列车运行安全防护和列车自动驾驶功能。
基于可见光通信的列控***的地面光收发器和车载光收发器通过光媒介，实现车载设备和地面设备之间的双向无线通信。车载设备通过自身的测速测距功能，结合线路沿线布置地面可见光设备，可实现列车主动定位，并将列车位置报告通过可见光通信发送给WCC。WCC根据其管辖范围的列车的位置报告和移动闭塞追踪原理为列车计算移动授权，并通过地面光收发器向车载设备发送移动授权信息。车载设备收到WCC发送的移动授权，可实现列车自动运行安全防护和自动驾驶功能。
基于可见光无线通信的列控***在地面设备上取消了LEU设备、应答器设备、轨道电路设备、信号机设备；将列控中心、无线闭塞中心和联锁设备集成为轨旁控制中心WCC；在地面设置ATO中心用实现列车自动运行集群控制；在车载设备上取消了应答器天线、轨道电路天线。车地通信采用可见光无线通信完成。
图3为本申请实施例的VLC网络架构示意图，该网络架构适用于图2所示的列控***架构。
VLC(光收发器)***需要接入骨干信息网络作为接入点为移动设备提供信息传输服务器。
光纤和VLC负责高速传输网络的上下行链路。下行链路在光缆和光源信号之间增加一个光纤转换模块，称为光纤解码转发单元，该模块从光纤通信中耦合出信号然后直接叠加到光源信号的驱动电流上从而实现光信号的传输。上行链路在光纤信号和可见光光源信号之间增加一个VLC转换模块，称为VLC解码转发单元，该模块从VLC解调后，再通过激光信号调制在光缆上进行传输。
为了在VLC传输中融合定位信息，在解码转发单元之后增加定位信息融合模块。发射信号通过光纤传输，经过解码转发单元，在定位信息融合模块中加入定位信息，重新编码、交织、调制以及后端处理后得到合并信号，驱动光发射模块发送信号。
网络采用单频网络架构，单频网是一种在同时同频发射相同信号的网络架构。多个可见光发射模块同时连接同一条光纤，该方式不需要频率复用，可以节省大量的频谱资源，而且多个发射机会带来分集增益，可以获得更好的覆盖率，同时也避免了在不同地面可见光发射模块间移动时复杂的频繁切换。
由于地面可见光发射模块灯携带的定位信息不同，可以通过分配比特资源的方式把基站的物理信道分割为公共信道和本地信道。具体地，利用比特分割复用(Bit DivisionMultiplexing，BDM)方法实现信道分隔，将每个符号内的多个比特看成一个维度，将信号按照比特进行分割。在将传输比特流和定位比特流进行比特层次合并的过程中，是以星座映射符号为划分单元，将可见光通信的物理层信道进行分割，得到符号层次的物理层子信道，再以星座映射符号中的比特为划分单元，进行进一步分割，得到比特层次的物理层子信道。
图3的组网方案中，WCC、TSRS和ATO中心通过安全数据网与中心控制节点连接，中心控制节点将数据通过网关和光纤交换机通过光纤信号传输至轨道两侧的WVLC主控模块。轨道两侧每个安装位置点会平行安装两套WVLC实现冗余覆盖。
图4中车载可见光收发器与车载控制器之间直接通信，地面可见光收发器与WCC、TSRS、ATO中心分别通过中心控制节点(省略了光缆、网关、光纤交换机等)通信。
车载可见光收发器包括主控模块、发射机内部模块、光源驱动电路、支架(选用)、LED、接收机内部模块、低通滤波器、支架(选用)、光电探测器、图像传感器。主控模块分别与发射机内部模块、接收机内部模块、图像传感器连接。发射机内部模块与光源驱动电路连接，光源驱动电路与LED连接。接收机内部模块与低通滤波器连接，低通滤波器与光电探测器连接。
地面可见光收发器包括主控模块、发射机内部模块、光源驱动电路、支架(选用)、LED、接收机内部模块、低通滤波器、支架(选用)、光电探测器、图像传感器。主控模块分别与发射机内部模块、接收机内部模块、图像传感器连接。发射机内部模块与光源驱动电路连接，光源驱动电路与LED连接。接收机内部模块与低通滤波器连接，低通滤波器与光电探测器连接。
地面发射模块加装图像传感器的目的是，通过图像传感器检测周围的环境信息，包括大气能见度、光背景噪声，通过传感器信息估计信道状态，对发送的调制编码方式做出自适应的调整以保证传输的可靠性。
车载和地面接收模块同样加装图像传感器的目的是，动态感知光背景噪声、有用光信号的强度以及大气能见度这些探测信息，探测信息由主控模块获取，根据探测信息调整接收机的信号放大增益、滤波器参数来抵御噪声的干扰，同时调整接收端接收角、聚焦参数。
图5为光收发器的发射机内部模块和接收机内部模块的结构示意图。
发射机内部模块包括数据流输入单元、编码单元、比特映射单元、串并转换单元、傅里叶反变换单元、添加循环前缀单元、并串转换单元以及数模转换单元；
接收机内部模块包括模数转换单元、同步单元、串并转换单元、去除循环前缀单元、傅里叶变换单元、信道均衡单元、并串转换单元、比特逆映射单元、解码单元和数据流输出单元。
针对不同的调制方式，VLC发射机与接收机具有不同的机构，VLC发射机内部模块主要包含编码、调制、预均衡；接收机内部模块大致包含帧同步、信道均衡、解码。本***中使用正交频分复用OFDM调制，将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据调制到每个子载波上传输。
同时，本***光源采用RGB-LED，通过RGB-LED来合成白光，利用三原色红、绿、蓝LED的混合光按一定比例合成白光，具有较高的带宽，可提升可见光通信的信号传输能力。
地面可见光收发器和车载可见光收发器通过光媒介实现车地无线通信。因此，地面可见光收发器是实现列车主动定位基础。因此，为了避免单点地面可见光收发器故障导致***失效。因此，地面可见光收发器在安装时，需要考虑可见光通信无线冗余覆盖。地面可见光收发器无线通信覆盖范围如图6所示。
车载设备可见光收发器安装方案如下：
VLC发射前端模块(包括LED和图像传感器)和VLC接收前端模块(包括光电探测器)均安装于列车顶部，两组VLC发射模块分别安装于车顶两侧，与VLC接收模块保证一定的距离。VLC发射模块以仰角方式安装，地面VLC接收模块以俯角方式安装。车载VLC设备安装如图7所示。
两组VLC接收模块同样分别安装于车顶两侧，与VLC发射模块保证一定的距离。VLC接收模块需架一定高度，以俯角方式安装。每个VLC接收模块具备3个接收机，以30度间隔分别面向安装侧外侧。
VLC发射模块和接收模块的透镜加装曲线型灯罩，用于遮挡雨、雪，同时在灯罩内部透镜表面具备自洁功能，能够实现镜面的自动清洁。
本申请实施例还提供了列车定位方法，当列车在站内或区间静止停车时，可以尝试通过以下第一种定位方法实现列车低速或静止情况下的列车定位。当列车在运行区间时，使用第二种方法完成列车定位，该方法需要列车穿过WVLC。
第一种定位方法：
该定位方法分为三步完成：
1)当列车OVLC接收到地面WVLC发送的光信号，信号中已通过比特分割复用编码添加WVLC的编号信息，OVLC经过信息处理可以获得WVLC的坐标ID，VOBC根据该坐标ID查阅电子地图，可获得当前接收到的WVLC的实际位置坐标。
2)基于可见光信道模型，利用信号强度RSSI法得到OVLC接收机和WVLC发射机之间的直线距离，利用空间几何关系得到OVLC接收机和WVLC发射机之间水平距离。
3)最后根据WVLC的实际位置坐标和所计算的OVLC接收机和WVLC发射机之间水平距离得到VOBC当前的位置坐标。
计算方法如下：
车载VLC接收模块在LED灯的照射下会由于照射角度的原因感应到不同的照射场强，从而通过计算列车通过LED灯时场强的变化计算LED灯的中心点，再通过LED灯的位置信息，实现列车定位。
车载VLC接收模块在LED灯的照射下会由于照射角度的原因感应到不同的照射场强，从而通过计算列车通过LED灯时信号强度的变化计算列车当前位置，计算方法为基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，根据所述直线距离得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离；
根据所述地面可见光收发器的实际位置坐标、以及所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离得到所述车载控制器当前的位置坐标。
其中，基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，可按照如下现有技术的方法计算：
Pt表示WVLC(即上文的地面可见光收发器)发射机的发射功率，Pr表示OVLC(即上文的车载可见光收发器)接收到光信号的接收功率，则信道直流增益为：
由H0即可得到OVLC接收机和WVLC发射机之间的直线距离d：
其中
为WVLC发射机LED的发射角，θ为OVLC接收机的接收角，WVLC发射机与OVLC接收机所在的接收面平行，
h为WVLC发射机与OVLC接收机的垂直距离，垂直距离为安装参数。其中：
m为辐射模数，Ts(θ)为滤波器增益，A为接收机有效接收面积，g(θ)为聚光器增益，均根据接收机参数提前计算。因此得到直线距离：
则根据几何关系，OVLC接收机和WVLC发射机之间水平距离r为：
当车载控制器上电后，可根据车载光接收器收到LED发送的信息包括了LED灯的编号。车载设备根据电子地图中LED灯的位置和编号信息以及该LED灯的信号场强，计算列车当前处于哪一个LED覆盖范围下，实现列车主动定位功能。
第二种定位方法：
如图8所示，车载VLC接收机在通过LED灯时，在T1时刻接收到的场强为E，此时的列车通过测速测距测量出的当前位置为S1，当车载VLC接收到检测到场强逐渐变强再变弱达到E时，此时为T2时刻，列车通过测速测距测量出的当前位置为S2。则LED灯中心点计算公式如下：
通过计算LED灯的中心点位置C_SLED，再通过计算C_SLED与LED灯的实际位置SLED的距离差，得到走行距离与实际位置的差值，列车在T21时刻，测量完测速测距位置时，立即更新当前的列车位置，实现列车定位，更新的位置信息计算公式如下：
S＝S21+(C_SLED-SLED)
由于列车速度和位置的计算不是真正意义上连续的。因此，当车载VLC接收器在T1和T2时刻采集到可见光场强为E时，测速测距的信息可能在T1和T2时刻前后，即T10、T11和T20、T21。因此，需要根据列车速度计算S1和S2。
如图8所示举例说明计算过程。当列车在T1时刻通过OVLC采集到可见光强度为E时，标记该位置为S1。当前列车使用既有测速测距方法上一次测量是在T10时刻，速度是V10，测量出的位置为S10。当列车运行T1时刻后下一次测速测距时，是在T11时刻，速度是V11，测量出的位置为S11。由于测速周期不大于100ms，因此可以将这一个时间过程看成一个匀加减速过程。则可以根据T10时刻和T11时刻的列车速度变化计算从T10到T11时刻的列车加减速度为：
再根据列车加减速度可计算S1位置：
同理，当列车在T21时刻运行至S21位置时，可以计算出S2位置。由S1位置和S2位置可以计算出LED中心点C_SLED。再根据列车运行至该WVLC覆盖范围内，接收到WVLC中的坐标ID信息通，VOBC根据该坐标ID查阅电子地图，可获得当前接收到的WVLC的实际位置，即SLED。由此可以得到测速测距获得的位置与实际位置的累积误差C_SLED-SLED，并同时在T21时刻校正该累积误差。
通过上述计算，可根据车载VLC接收器收到的LED灯场强变化，计算LED灯的中心点，再匹配LED灯的安装位置，实现列车定位。
列车在运行过程中，车载VOBC的距离计算存在累积误差。因此，必须通过列车定位来消除这个累积误差。本***是将可见光通信地面收发设备作为一个个定位点。当列车通过可见光地面收发设备时，根据两个可见光通信地面收发距离与列车走行距离进行比较，从而实现列车走行距离累积误差的校正。列车在经过前一个可见光地面收发设备时通过双向通信可以获取到下一个可见光地面收到设备与当前可见光地面收发设备的距离，该距离是两个可见光地面收发设备中心点的距离(中心点位置上场强最强)。当列车运行到下一个可见光地面收发设备的时候，通过场强变化计算其中心点位置，而这个位置实际是列车通过中心点的位置，这样就知道列车从上一个可见光地面收发设备到这个可见光地面收发设备的列车走行距离，然后再与上一个可见光收发设备告知的两个可见光通信地面收发设备的距离进行比较和校正，从而消除这段运行距离车载VOBC的测距累积误差。
图9为本申请实施例的列车位置校正原理示意图。
列车主动定位功能是利用可见光无线通信地对车通信功能实现的。利用铁路沿线布置定位LED灯，如图9所示。当列车相继通过两个LED灯时，可通过两个LED灯之间的间距，实现列车运行位置的校正。
列车经过LED灯1时，LED灯1将其编号信息发送给车载VOBC。列车在经过LED灯2时，车载VOBC通过在LED灯2收到的编号信息，查询电子地图得到LED灯1和LED灯2的链接距离信息，可计算列车在这两个LED灯之间的计算走行距离与链接距离A的误差，从而进行位置校正，实现列车定位功能。
考虑连续两个LED灯故障，不会导致列车定位丢失。按照区间列车定位不超过±40m时，测距误差按照±2％，LED灯安装误差为±5m，则误差连续四个LED灯两两间的安装间隔最大不得超过(40–5)/2％/3＝583.33m≈580m。该安装间隔可根据不同项目的具体要求按照上述公式进行计算。
需要说明，第一种定位方法主要仅用于定位，不用于校正，当列车在站内或区间静止停车时，可以尝试通过第一种定位方法实现列车低速或静止情况下的列车定位，该定位方法仅需要列车OVLC在WVLC覆盖范围内即可完成定位。
第二种定位方法本身包含校正，所以当列车在运行区间时，主要使用第二种方法完成列车定位和校正，但该方法需要列车穿过两个相邻的WVLC才能完成定位和走行距离校正。
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (10)
1.一种基于可见光通信的列车运行控制***，其特征在于，
包括一个调度集中设备、多个轨旁控制中心、多个临时限速服务器、多个车载控制器、可见光通信子***；车载控制器与轨旁控制中心通过可见光通信子***通信；车载控制器与临时限速服务器通过可见光通信子***通信；
所述调度集中设备，设置为分别与多个轨旁控制中心、以及与多个临时限速服务器通信，下发列车运营计划，以及根据从多个轨旁控制中心和多个临时限速服务器接收到的列车运行状态信息向相关临时限速服务器下发临时限速信息；
每个轨旁控制中心，设置为接收所述调度集中设备下发的列车运营计划，通过可见光通信子***接收所辖区域内的车载控制器发送的各自的列车运行状态信息，根据所述列车运营计划、以及所辖区域内的列车运行状态信息计算移动授权，并通过可见光通信子***将移动授权发送给对应的车载控制器；通过可见光通信子***将接收到的所辖区域内的车载控制器发送的信息处理后发送给所述调度集中设备；
每个临时限速服务器，设置为根据接收的临时限速信息生成临时限速命令，通过可见光通信子***向相应的车载控制器发送临时限速命令；通过可见光通信子***向所辖区域内的车载控制器转发所述列车运营计划；向所述调度集中设备转发通过可见光通信子***接收到的所辖区域内的车载控制器发送的列车运行状态信息；
每个车载控制器，设置为通过可见光通信子***发送列车运行状态信息；通过可见光通信子***接收移动授权信息，根据所接收的移动授权信息对所在的列车进行自动运行安全防护；其中，所述列车运行状态信息包括列车定位信息；
所述可见光通信子***包括可见光通信设备、光纤传输设备；
所述可见光通信设备包括地面可见光收发器和转换模块、以及车载可见光收发器；
所述地面可见光收发器和转换模块，设置为接收可见光信号，将可见光信号转换成光纤信号发送；接收光纤信号，将光纤信号转换成可见光信号发送；
所述车载可见光收发器，设置接收可见光信号，将发送数据以可见光信号形式发送；
所述光纤传输设备，设置为将轨旁控制中心和临时限速服务器发出的信号传输到地面可见光收发器，并将地面可见光收发器和转换模块发出的光纤信号传输到轨旁控制中心和临时限速服务器。
2.如权利要求1所述的列车运行控制***，其特征在于，
所述车载控制器包括车载ATO设备；
所述列车运行控制***还包括多个列车自动驾驶中心；车载控制器与列车自动驾驶中心通过可见光通信子***通信；
每个列车自动驾驶中心，设置为通过可见光通信子***与所辖区域内的车载ATO设备进行通信，集中管理所辖区域内的列车运营，解决线路轨道资源冲突、线路牵引电力资源冲突和ATO过分相。
3.如权利要求1或2所述的列车运行控制***，其特征在于，
每个地面可见光收发器包括第一主控模块、第一发射模块、第一接收模块；所述第一发射模块包括第一发射机内部模块、第一光源驱动电路和第一LED；所述第一接收模块包括第一接收机内部模块、第一低通滤波器和光电探测器；所述第一主控模块分别与所述第一发射模块和所述第一接收模块连接；所述第一发射模块，设置为根据输入的数据流发出可见光信号；所述第一接收模块，设置为接收可见光信号，并输出数据流；
每个车载可见光收发器包括第二主控模块、第二发射模块、第二接收模块；所述第二发射模块包括第二发射机内部模块、第二光源驱动电路和第二LED；所述第一接收模块包括第二接收机内部模块、第二低通滤波器和第二光电探测器；所述第二主控模块分别与所述第二发射模块和所述第二接收模块连接。
4.如权利要求3所述的列车运行控制***，其特征在于，
每个地面可见光收发器还包括第一图像传感器；所述第一图像传感器与所述第一主控模块连接，设置为检测自身周围的第一环境信息，根据所述第一环境信息对发送的调制编码方式进行调整以保证传输的可靠性；
每个车载可见光收发器还包括第二图像传感器；所述第二图像传感器与所述第二主控模块连接，设置为检测自身周围的第二环境信息，根据所述第二环境信息调整接收机的信号放大增益、滤波器参数以减弱噪声的干扰。
5.如权利要求3所述的列车运行控制***，其特征在于，
所述发射机内部模块包括数据流输入单元、编码单元、比特映射单元、串并转换单元、傅里叶反变换单元、添加循环前缀单元、并串转换单元以及数模转换单元；
所述接收机内部模块包括模数转换单元、同步单元、串并转换单元、去除循环前缀单元、傅里叶变换单元、信道均衡单元、并串转换单元、比特逆映射单元、解码单元和数据流输出单元。
6.如权利要求1或2所述的列车运行控制***，其特征在于，
地面可见光收发器分布于列车运行轨道两侧的同一平行位置，且相邻的地面可见光收发器沿运行方向上的间隔小于或等于第一预设距离；
车载可见光收发器，设置为按照预设方式、预设位置安装于列车上。
7.如权利要求1所述的列车运行控制***，其特征在于，
地面可见光收发器的光源包括RGB-LED光源。
8.如权利要求1所述的列车运行控制***，其特征在于，
所述光纤传输设备包括光缆、光纤交换机、网关、中心控制节点；
其中，所述光缆与所述光纤交换机连接；所述网关与所述中心控制节点通过以太网通信；所述中心控制节点分别通过安全数据网与轨旁控制中心、临时限速服务器通信。
9.一种列车定位方法，应用于权利要求1-8任一项所述的列车运行控制***，其特征在于，
车载控制器根据车载可见光收发器接收到的地面可见光收发器发送的光信号、以及预设电子地图得到所述地面可见光收发器的实际位置坐标；其中所述光信号包括所述地面可见光收发器的编号信息；
基于可见光信道模型，通过信号强度RSSI法得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的直线距离，根据所述直线距离得到所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离；
根据所述地面可见光收发器的实际位置坐标、以及所述车载可见光收发器和所述地面可见光收发器之间的水平距离得到所述车载控制器当前的位置坐标。
10.一种列车定位方法，应用于权利要求1-8任一项所述的列车运行控制***，其特征在于，
根据车载可见光收发器接收到同一LED灯相同场强时的通过测速测距测量出的列车位置计算所述LED灯的中心点位置；
根据所述LED灯的中心点位置和所述LED灯的实际位置计算列车位置误差；
根据列车在下一时刻通过测速测距测量出的列车位置、以及所述列车位置误差更新当前列车位置。
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